Glass formation and selective crystallization link Chinese purple octagonal prisms with lead barium glass

수 세기 동안 고대 중국의 장인들은 옥처럼 보이지만 인간의 손으로 만들어진 재료를 만드는 기술을 숙달했습니다. 그들의 가장 놀라운 발명품 중 하나는 짙은 보라색의 팔각형 프리즘과 납과 바륨을 기반으로 은은하게 빛나는 일종의 유리가 있었습니다. 오랫동안 과학자들은 이 두 가지 창조물을 별개의 기술로 취급해 왔습니다. 하나는 안료나 고체 결정으로 간주되었고, 다른 하나는 녹은 유리질 물질로 간見되었습니다. 이들은 납, 바륨, 실리콘, 구리라는 유사한 성분을 공유하고 있었지만, 최종 결과물이 매우 다르게 보이고 작동했기 때문에 연구자들은 이들이 완전히 다른 경로를 통해 만들어졌다고 가정했습니다. 오랫동안 남겨진 질문은 이 두 재료가 실제로 먼 친척인지, 아니면 단지 서로 다른 방식으로 냉각되었을 뿐 같은 불에서 태어난 형제인지 하는 것이었습니다.

중국 시안의 무덤에서 발견된 단 하나의 보라색 프리즘에 대한 새로운 연구가 마침 finally 이 질문에 답했습니다. 연구진은 약 2,000년 전인 전국시대부터 진나라와 한나라 시대에 이르는 프리즘의 단면을 채취하여, 중심부에서 바깥쪽 가장자리까지 조사했습니다. 그들은 단순히 표면만을 본 것이 아니라, 모든 층의 화학적 구성과 미세 구조를 지도화했습니다. 그들이 발견한 것은 보라색 결정과 유리질 물질이 서로 섞여 있는 별개의 것이 아니라는 점이었습니다. 대신, 이들은 뜨거운 재료 내부에서 동시에 형성되었습니다. 이 연구는 고대의 제작자들이 열이 어떻게 이동하고 성분이 어떻게 가라앉느냐에 따라 어떤 곳은 유리가 되고 어떤 곳은 보라색 고체 결정이 될 수 있는 하나의 복잡한 혼합물을 다루었음을 보여줍니다.

연구 대상이 된 물체는 손가락 너비 정도의 단단한 보라색 팔각형 프리즘으로, 많은 유사한 물품이 함께 묻힌 무덤에서 출토되었습니다. 같은 유적지에서 발견된 다른 물체들에는 유리로 만든 구슬이 포함되어 있었으나, 이 프리즘은 구멍이 없는 단단한 형태라는 점에서 독특했습니다. 연구진은 프리즘이 균일하지 않다는 점을 발견했습니다. 중심부는 어둡고 밀도가 높았으며, 가장자리는 더 밝고 파편화되어 있었습니다. 이를 이해하기 위해 그들은 강력한 현미경과 화학 스캐너를 사용하여 물체가 냉각되는 과정에서 원소들의 여정을 추적했습니다. 그들은 보라색 색상이 특정 결정인 규산 바륨 구리(barium copper silicate)에서 기인한다는 것을 발견했지만, 이 결정은 홀로 존재하지 않았습니다. 그것은 납-바륨 유리 매트릭스 안에 박혀 있었으며, 두 물질은 밀접하게 연결되어 있었습니다.

연구진이 프리즘의 중심에서 가장자리로 이동함에 따라 재료의 구조적 변화를 관찰할 수 있었습니다. 어두운 중심부에서는 유리 부분이 강하고 연속적이며 결정들을 붙잡고 있었습니다. 바깥쪽으로 나아갈수록 유리는 분해되기 시작했고, 보라색 결정들은 더 흩어지고 패치 형태가 되었습니다. 프리즘의 가장자리는 가장 많이 손상된 부분으로, 미세한 균열과 구멍이 많았으며, 땅속에 묻혀 있는 동안 유리가 용해되고 변화하기 시작했음을 보여주었습니다. 이 경사도는 전체 물체가 하나의 연속적인 과정으로 형성되었음을 증명했습니다. 재료들은 유리 더미와 결정 더미로 시작된 것이 아니라, 각기 다른 방식으로 반응하는 뜨겁고 녹은 혼합물 상태에서 시작되었습니다.

이를 이해하는 핵심은 열을 가했을 때 고대 재료들이 어떻게 행동했는지에 있습니다. 연구는 납, 바륨, 실리콘, 구리의 혼합물이 가열되었을 때 단일하고 균일한 액체로 녹지 않았음을 시사합니다. 대신, 일부 부분은 액체가 되고 다른 부분은 고체로 남거나 결정으로 변하는 복잡한 체계를 형성했습니다. 프리즘의 중심부에서는 결정을 가두는 유리 네트워크가 형성되기에 유리한 조건이 조성되었습니다. 다른 영역에서는 결정이 더 크게 자라나 뚜렷해졌습니다. 연구진은 중심에서 가장자리로 갈수록 구리와 납의 양이 약간씩 변한다는 것을 발견했지만, 가장 극적인 변화는 이 금속들의 화학적 상태였습니다. 물체의 보라색을 만들어내는 구리는 표면으로 이동하면서 내부 구조가 변하여 색을 유지하는 능력이 떨어졌습니다. 마찬가지로 납 또한 화학적 형태가 변했는데, 이는 아마도 수천 년 동안 흙 속의 공기와 수분에 반응했기 때문일 것입니다.

이 발견은 당시의 기술을 바라보는 관점을 바꿉니다. 이는 고대의 도공들과 유리 제작자들이 단순히 유리를 만들거나 안료를 만든 것이 아니라, 두 가지를 동시에 만들어낼 수 있는 고온 반응 시스템을 숙달했음을 보여줍니다. 보라색 프리즘과 유리 조각의 차이는 레시피의 차이가 아니라, 열이 어떻게 적용되고 재료가 어떻게 냉각되었는지의 차이였습니다. 만약 혼합물이 빠르게 냉각되거나 성분의 균형이 특정 상태였다면 대부분 유리 상태로 남았을 것입니다. 만약 천천히 냉각되거나 성분의 균형이 달랐다면 보라색 고체로 결정화되었을 것입니다. 두 가지가 단일 물체 안에서 모두 발견된다는 사실은 이들이 동전의 양면임을 입증합니다.

연구는 또한 물체가 매립된 후에 어떤 일이 일나도 밝혀냈습니다. 프리즘의 바깥 가장자리는 느린 부패의 이야기를 들려줍니다. 유리 네트워크가 분해되기 시작하면서 원소들이 이동할 수 있게 되었습니다. 원래 유리 구조의 일부였던 납은 표면으로 이동하여 새로운 이차 광물을 형성했습니다. 구리 또한 화학적 상태가 변하여 깊은 보라색 색조를 만들어내는 능력을 잃었으며, 이것이 프리즘의 가장자리가 중심보다 밝은 이유를 설명해 줍니다. 이러한 풍화 과정은 단순한 표면의 얼룩이 아니라, 외부에서 내부로 재료의 본질 자체를 변화시킨 깊은 화학적 변형입니다.

이 단일 유물의 완전한 횡단면을 살펴봄으로써, 연구진은 이전에 분리되어 있던 두 분야의 연구를 연결했습니다. 그들은 납-바륨 유리와 규산 바륨 구리가 공유된 재료 가족의 일부임을 보여주었습니다. 고대 중국인들은 이 물체들을 만들기 위해 두 가지 다른 기술을 필요로 했던 것이 아니라, 열과 화학이 어떻게 상호작용하는지에 대한 정교한 이해가 필요했습니다. 보라색 프리즘은 단순한 아름다운 물체가 아닙니다. 그것은 액체가 유리와 결정으로 동시에 변하는 순간을 포착한 고온 반응의 얼어붙은 기록입니다. 이러한 통찰은 고대 장인들이 복잡한 반응을 제어하여, 무덤 속 어둠 속에서 서서히 변해가면서도 2천 년 동안 살아남은 재료를 만들어낼 수 있었던 그들의 기술을 이해하도록 돕습니다.